王洋洋1,2 官燕玲1
1 长安大学 建筑工程学院；2西安咸阳国际机场股份有限公司
【摘 要】在西安某空旷厂区内进行了为期两年的气象监测及自然风速数据采集。以实测自然风数据为依据，比较了实际自然风风速及其对应的不同时距平均风速的脉动特性及自相关性。结果表明，不同时距平均风速对一天内的风速波动特性有不同，时距大，风速波动特征会明显减弱，而当风速平均时距在1h以内时，能较好的保留自然风风速的波动特性及风速不同时刻之间的相关性。
【关键词】气象监测、实测自然风、脉动特性，平均风速
0 引言
在建筑风压自然通风研究领域，通常都是用恒定的平均风代替具有脉动特性的自然风，从而对问题进行了稳态简化。近些年来关于自然风脉动特性对建筑自然通风的影响已得到关注。文献[1]对气流紊流特性进行了研究，结果表明自然风与平均风的机理存在着明显的差别和联系，气流紊动特性主要表现在湍流度和脉动频率两个参数上。文献[2]利用计算机CFD手段模拟探讨了来风的特性对某大型焊接厂房自然通风的影响，结果表明，连续恒定或非连续间歇来流两种边界条件下厂房通风效果不同。文献[3]对国内外单开口风压通风相关的理论做出了研究，得出动态风的通风效果与其脉动周期有关，脉动周期的不同会导致动态风相较于恒定风速通风效果有明显差异。文献[4]对深圳市某办公大楼室内外空气流动特性进行了实测分析，指出在建筑风压自然通风的分析中，不应忽略自然风的脉动周期、脉动幅值等特性。
本文的主要任务是现场实测自然风速，比较高频检测的实测自然风风速及其对应的不同时距平均风速的脉动特性及前后风速的自相关性，探究如何在保留自然风脉动特性的基础上，对自然风进行一定时长的平均简化，以期用某一时长下的平均风速序列值预测脉动自然风在建筑中的通风效果。
1 研究方法
本研究首先建立气象及风速检测平台，对西安地区自然风速风向及其他气象参数进行长期检测，分析当地常见的自然风波动变化范围、对应不同时长的平均风速特性、包括风速自相关性、脉动特性等，由此探索一天中不同时距平均风与脉动自然风之间的联系。
为了避免建筑物对测点周围风场的影响，气象参数测试实验装置安装在国家电投西安太阳能电力有限公司空旷场地内，风速采集仪安装在立杆的10米高处。
图1 三维超声波风速仪结构图 图2 CR1000数据采集器
风速采集仪器采用德国ADOLF THIES GmbH＆Co.KG公司的三维超声波风速仪（见图1），监测量程为0.01~85 m/s，分辩率为0.01 m/s；采用CR1000数据采集器（见图2），采集步长为0.1 s。实验场的气象参数，用RSR1000旋转型太阳能测量系统来测量，该测量系统可精确测量水平面的总辐射、直接辐射、散射辐射、以及30°和35°倾角平面的总辐射，另外，还能测量大气温度、湿度、风速风向等，数据采集和实时监测由LoggerNet软件完成。
三维超声波风速仪于2017年06月01日安装于该气象站，即开始连续检测，到2019年6月31日结束，采集到了近25个月的数据[7]。图3为气象参数测试系统现场照片。
图3 气象参数设置系统现场照片
2 特性分析
2.1 自然风的平均特性
平均风速是指某个时距内空间各点上实际自然风的平均值，平均风速可以用式（1）表示，
（1）
式中，Vi(t)为空间时刻为时的瞬时自然风速值，m/s；
为某个时距内的瞬时风速的平均值，m/s；为时距，s。
由公式（1）可知，时距的不同，平均风速值的大小会有不同[8]，其全天风速波动变化描述也会存在差异。风速时距过大，风速描述参量数量较少，自然风速的波动变化规律无法展现；然而风速时距过小，对自然风速波动变化描述更准确，但数据过多会对建筑自然通风的计算分析带来不便。
2.2 平均风速日变化规律
本节通过对实测0.1 s瞬时自然风进行计算分析，得到同一天内时距分别为10 min到4h的共八组不同时距条件下的自然风速日变化图，探究平均风速值的时距大小对一天内自然风速脉动规律的影响。
实测中，2018.03.30、2018.04.03、2018.05.08这三天分别是多云、晴天及雨天，将这三天作为典型日，图4为这三天分别对应这8组时距的平均风速的时间变化图，很明显不同时距条件下的风速波动变化幅度存在差异。
图4 不同时距条件下自然风速日变化图
由图4可知，不同日期不同天气条件下，不同时距的平均风速一天的波动均较大且变化趋势相同，最大值均出现在中午或下午，但风速大小由于平均时距的不同而呈现出差异。
表1为这三天对应的8组不同时距条件下的风速波动特性值。可以看到，平均风速时距越大，风速波动变化特征值越弱，不同时距平均风速的风速最大值以及波动幅值与实测风速最大值的比值均随着平均风时距的增大而减小。如针对多云、晴天及雨天这三天，对于其风速最大值，当平均风时距为10 min时分别为0.774（m/s）、1.947（m/s）、1.542（m/s），当为4h时其分别为0.369（m/s）、0.536（m/s）、0.596（m/s）；对于风速波动幅值，当平均风时距为10 min时分别为0.766（m/s）、1.947（m/s）、1.534（m/s），当为4h时其分别为0.177（m/s）、0.432（m/s）、0.420（m/s）。表中数据表明不同时距平均风速对一天内的风速波动变化程度描述并不相同，时距越大，风速波动变化特性越不明显，自然风波动作用效果被减弱，对实际自然风速波动特性的描述越失真。
表1 不同时距的平均风速最值对比
表2为这三天对应的8组不同时距平均风条件下的风速波动幅值比值的平均值及标准差。风速波动幅值比值的平均值及标准差展示了不同气象条件下风速在不同时距条件下波动的稳定性。其风速波动幅值比值的平均值越接近1，表明该气象条件下，风速波动特性受时距影响的衰减作用越小；其风速波动幅值比值的标准差值小，表明风速波动衰减分布稳定。
表2 不同时距平均风条件下的风速波动幅值比值的平均值及标准差
由表2可知，气象条件对风速波动特性的展现存在着影响，当雨天时，风速波动状态较为稳定，平均风速波动特性受时距影响较弱；相比，多云或晴天时，风速波动剧烈，平均风速波动特性受时距影响相对较强。
2.3 不同时距的平均风速随时间自相关特性
自然风的风速、湍流强度以及频率等都是在时刻变化的，且其变化在不同时刻之间存在着联系，即自相关性。关于自相关性，在自然风风速特性描述中，体现为不同时刻风速的相互作用，其自相关函数表示为任意当前时刻自然风速值与不同时刻的风速值之间的相关度，直观的反映出了任意当前时刻的风速值对未来不同时刻风速值的影响程度。风速自相关特性参数精确的展现自然风在不同时刻间的内在关联，是实际风速波动变化特性的数学体现。
自然风的自相关特性与平均风速值、离地高度以及地表面的粗糙长度相关。但对固定空间位置处的自然风速时程，风速的自相关特性仅与平均风速值的大小相关，表现为自然风的自身特性，体现风速的波动变化特性。
在相关研究中，采用自相关函数来表述同一风速变量在不同时刻的相关程度。自相关函数的概念可用如下公式（2）表示，
（2）
式中，为 时刻风速序列对应的风速值，m/s；为时刻的风速值，m/s；为自然风速时程在时距内风速的平均值，m/s。
由公式（2）可知，不同时距平均风速值所构成的自然风速时程序列具有不同的自相关函数。因此将自相关函数进行标准化，得到了自相关系数，如公式（3）所示，
（3）
自相关系数消除了量纲的影响，其数值大小可以直观的展示风速不同时刻之间的相关程度，体现自然风速时程序列的自身波动特性。表3给出了自相关系数的大小与对应的相关程度，当自然风速序列的自相关系越接近于±1.00时，风速的自相关程度越高。
表3 自相关系数与相关程度
对上述八组不同时距条件下的平均风速值所构成的自然风速时程序列日波动变化的自相关系数图进行解析，见图5。
图5 三个典型日的自然风自相关系数变化图
如图5所示为三个典型日（分别为2018.03.30、2018.04.03、2018.05.08）的实际自然风在不同时距下的平均风速自相关系数随时间变化图。由图5可知，这三天的风速自相关系数变化分布有不同，这体现出了不同气象参数、风速大小、风速波动状况对风速序列自身特性的影响。由图可知，随着时间的推移，任意当前时刻的风速值与未来时刻风速值的自相关系数迅速衰减，相关性均迅速减弱，且这三天的风速自相关系数均在3-4个小时内迅速衰减至0，随着时间的推移风速自相关系数在0值上下浮动。表明当前时刻风速的脉动作用效果实际作用于在未来3-4小时的风速波动中，但随着时间的推移，当前时刻脉动风速的影响作用效果对未来时刻的风速的影响逐渐消减。以上研究表明，对风速简化的时距越大，对自然风波动特性的描述越失真，本文旨在探究如何在保留自然风脉动特性的基础上，对自然风进行一定时长的平均简化，而根据自相关系数与相关程度的意义，结合三个典型日的自然风自相关系数变化图，，当前时刻风速与未来1h以内的风速值均存在着波动联系，自相关系数均大于0.50，呈现出显著相关特性，即风速时距在1h以内时，可保留自然风脉动特性。因此，对自然风进行1h时长的平均简化，可用于预测脉动自然风在建筑中的通风效果。
由图5可知，在同一天的自相关系数变化图中，8组不同时距条件下的自相关系数变化分布趋势相同，且时距为10 min、20 min、30 min以及1 h的风速自相关系数变化参数值基本吻合，时距为1h的自相关系数值与时距为10 min 的最大偏差在10%以内；但时距为1.5 h、2 h、3 h以及4 h时，自相关系数值与实际风速特性参数偏差过大，时距为1.5h时，与时距为10min的风速自相关系数偏差在30%以内（5月8日的7:30），时距为4 h时，与10 min的自相关系数值偏差达到了70%以上（4月3日与5月8日的16:00），且在3月30日的4:00，偏差达到了80%以上。
综上表明，时距在1 h以内的平均风速值所构成的日自然风速序列仍能较为准确的体现实际自然风速序列的日波动特性，因此在建筑自然通风研究中，可将1h作为实际风速参数时距，将一天的0.1s时距的自然风速数群简化为24个平均风速序列，进而计算分析得到实际波动自然风的通风特性。
3 结论
本研究对西安某空旷厂区的10 m高处进行了为期两年的自然风速数据采集及气象监测，依据测试数据分析比较了实际自然风风速及其对应的不同时距平均风速的脉动特性及自相关性，得到能较好保留原自然风基本特性的平均风的最大时距，用于建筑风压自然通风的可靠预测。主要结论如下：
（1）不同时距平均风速对一天内的风速波动变化描述有差别，时距值大，风速波动变化特性会减弱，即自然风波动作用效果会失真；
（2）气象条件对风速波动特性存在着影响，当雨天时，风速波动状态较为稳定，风速波动特性受时距影响较弱；多云或晴天时，风速波动剧烈，波动特性随着时距的增长显著减弱；
（3）风速平均时距在1h以内时，可充分反映自然风风速的波动特性及不同时刻风速之间的相关性。
参考文献
[1] 朱颖心， 欧阳沁， 戴威.. 建筑环境气流紊动特性研究综述[J]. 清华大学学报(自然科学学报), 2004, 44(12): 1622-1625.
[2] 柯其枝,谭洪卫,季亮,潘希存,李潇潇. 恒定风与间歇风对厂房自然通风影响实验研究[J].建筑热能通风空调,2008(03):57-59.
[3] 张惠敏. 脉动风单侧自然通风中湍流特征的影响[D].浙江大学,2013.
[4] 李超， 罗会龙， 谷宇新等.自然通风条件下室内外脉动风的相关性研究[J]. 节能技术. 2013, 31(5):434-436
[5] 尹飞，自然风的脉动特性对室内温度的影响研究[D]. 湖南大学. 2014.
[6] 谷宇新, 刘刚， 周杰.城市风的脉动作用对建筑通风效果的影响[J].建筑热能通风调. 2012, 31(4): 22-25.
[7] 任瑞兰.自然风脉动特性及对自然通风的影响研究[D].长安大学,2018.
[8] 陶丹玉.自然风特性分析及风速时程模拟研究[D].长安大学,2019.
[9] 阮芳.单开口自然通风特性的实验及模拟研究[D].湖南大学.2016.
[10] 童宝龙. 自然风特性及其对自然通风效果的影响研究[D].湖南大学,2013.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年10月刊 总第48期（第二十二届全国通风技术学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
